核电厂常用叶片式泵

泵与阀门之常用泵部分堆冷却剂泵作用

反应堆冷却剂泵(简称主泵)的功能是强迫冷却剂循坏，把反应堆中产生的热能传送至蒸汽发生器，以产生蒸汽，驱动汽轮机作功。堆冷却剂泵分类

反应堆冷却剂泵可分为两大类：屏蔽泵及轴密封泵。由于主泵工质是高温、高压、带放射性的水，早期压水堆采用屏蔽泵以解决密封问题。但是屏蔽泵效率低，材料和制造难度高，维修困难，随着核电站安全性和经济性要求的提高，并为适应大容量机组的要求，轴密封泵取代了屏蔽泵。堆冷却剂泵工作环境

（1）承受高温高压。在电功率为900MW的压水堆中，触液部件的设计温度高达350℃，设计压力达17.5MPa；（2）输送有腐蚀性的流体，如硼酸水；（3）冷却剂通过堆芯，有强放射性；（4）主泵安装在安全壳内，平时不宜接近；（5）当发生失水事故时，对安全壳进行喷淋，主泵要承受热冲击；（6）环境温度为50℃，正常运行时的相对湿度为50%，事故和换料期间的相对湿度为100%；（7）40年寿期内起动和停止的循环次数约为4000次。核岛对主泵机组的基本要求

（1）要求长期可靠运转（2）维修简便（3）过流零部件的材质要好（4）具有足够的惰转时间（5）振动量要小（6）轴密封泄漏量要小轴封泵的优点（1）采用常规的鼠笼式感应电机，成本降低，效率提高，比屏蔽泵效率高10%~20%；（2）电机部分可以装一只很重的飞轮，提高了泵的惰转性能，从而提高了全厂断电事故时反应堆的安全性；（3）轴密封技术同样可以严格控制泄漏量；（4）维修方便，轴密封结构的更换仅需10h左右。1—飞轮；2—上部径向轴承；3—止推轴承；4—电机轴；5—电动机定子；6—接线盒；

7—电机下部径向轴承；8—通向大气的蒸汽引漏；9—2号密封注入水引漏；10—泵轴；

11—冷却水进口；12—泵出口接管；13—泵进口接管；14—止推轴承油提升泵和电动机；

15—电动机组件；16—上部密封套；17—1号密封引漏；18—下部密封套；19—主法兰；

20—冷却水出口；21—泵径向轴承；22—热屏和热交换器；23—泵壳；24—叶轮1—冷却剂出口；2—冷却水出口；3—主法兰；4—第1道密封件；5—第2道密封件；6—第2道密封泄露；7—第1道密封泄露；8—第3道密封件；9—电机定子；10—电机轴；11—止推轴承；12—飞轮；

13—径向轴承；14—冷却水出口；15—高压密封水进口；16—主泵轴；17—水润滑径向轴承；18—热屏障；19—叶轮；20—壳体；21—冷却剂吸入口轴封泵的总体结构现代压水堆核电厂使用最广泛的反应堆冷却剂泵是立式、单级轴密封泵。从底部到顶部，它由水力机械部分、轴封组件和电机三部分组成。采用立式放置便于布置，减小反应堆厂房径向尺寸。轴封式主泵采用多级高压机械密封结构。1—叶轮；2—水润滑径向轴承；3—轴密封；4—径向轴承；5—电机；6—径向轴承；7—刚性联轴节；8—双向联轴节；9—挠性联轴节；10—单向推力轴承核岛用主泵国内外情况轴封式核岛用主泵，国内尚在试制阶段，没有公布技术资料。国外主要生产厂家也处于激烈竞争之中，美国西屋公司为了保持领先地位，总在不断更新主泵结构。核岛用主泵组成由电动机、飞轮、刚性联轴器、轴密封组件、止推轴承和径向轴承、热屏障、导叶、泵壳、叶轮、泵轴以及连接法兰等部件组成。也可以按照专业特性分为水力机械部分、电机部分和轴封组件。核岛用主泵部件装配叶轮靠双头螺栓紧固，转矩靠叶轮与泵轴联接处的端面齿传递。泵壳上方装的是密封壳和密封盖，在密封壳内的叶轮上方装有水润滑导轴承，用来支承泵轴的下部。在水导轴承上方装有螺旋泵，其作用一方面是阻止泵壳内的高温液体流向轴密封；另一方面是保持高压注入水回路的流动。泵轴穿过密封盖的压力边界处的轴密封系三级相同的串联布置的动压密封。泵轴与传动轴靠端面齿刚性联轴器联接。传动轴穿过推力轴承箱。轴承箱内装有推力轴承和上、下位油润滑导轴承，前者承受整个转动部件向上和向下的推力，后者支承轴系。水力机械部分水力机械部分包括泵的入口和出口接管、泵壳、法兰、叶轮、扩压段、泵轴、径向轴承及热屏组件。泵壳泵壳是一个外形呈准球状的不锈钢铸件，泵壳在高压、高温、强辐照的恶劣条件下工作，在瞬态过程中还受到温度、压力交变载荷的作用。它属于一级安全部件。泵壳泵壳通常采用的蜗壳泵体，对压水堆主泵来说是不适宜的。目前一般采用近似于球面的回转对称泵体。这种泵体受力条件好，工艺性好，成品率高，且保证了泵体的强度要求和可靠性，但可能降低一点效率。叶轮混流式叶轮，液体沿与轴线倾斜的方向流出叶轮，高比转数的混流式叶轮有时叫斜流式叶轮，主泵常用它，因为其流量较大，而扬程又不低。吸入导流管和扩压器吸入导管和叶轮吸入接管之间由迷宫密封环阻挡从排出室向吸入室的流体泄漏。扩压器的作用是降低在扩压叶片之间的延伸流道中的流体流速。把流体的速度头转换成静压头。泵轴承泵的径向轴承为泵轴提供径向支撑和对中。它由斯太立合金堆焊的不锈钢轴颈和石墨环构成的套筒组成，用水润滑和冷却。使通过轴承的水保持低温是重要的，因为高温会破坏石墨环并使轴承损坏。所用的轴承冷却水是化容系统的轴封注入水的一部分。泵轴承主泵在额定条件下运行时，泵轴会传递很大的轴向力。通常向上推力为600~700kN甚至1000kN以上；低压启动时，向下推力为100~200kN。转动部件的重量和泵产生的上述轴向推力由止推轴承承受。热屏障组件在叶轮与泵径向轴承之间装有热屏障。它的作用是阻止泵壳内高温的反应堆冷却剂向泵上方的泵径向轴承和密封组件传热，使泵径向轴承免受高温。热屏障组件主要由两部分组成：一是安装在导叶内侧的隔热套(又称防护套筒)，二是安装在叶轮与泵径向轴承之间的由盘管组成的扁平状热交换器。隔热套阻止反应堆冷却剂向上方的泵径向轴承传热，而热交换器用来冷却可能沿轴向上的反应堆冷却剂流，从而保护径向轴承和轴封组件。在轴封水断流的情况下，它还能冷却向上流动的冷却剂，以确保轴承的冷却和润滑。热屏障组件在正常工况下，蛇形管内流过设备冷却水，由高压密封水进口引入的部分高压密封水由上向下流经管外进入泵体，这时密封水的流量和流速都很低，因此冷却器的热负荷很小。但当高压密封水一旦中断，高温冷却剂将由下向上涌进冷却器，这时冷却器的热负荷将很大。热屏障组件高压密封水以比冷却剂稍高的压力注入水润滑径向轴承和冷却器之间，流量约为1800L/h，除了其中2/3流量流经冷却器后进入一回路系统外，其余1/3往上流经水润滑轴承进入机械密封装置。主泵电动机压水堆主泵电机常用立式鼠笼式感应电动机。同步转速为1500r/min。与普通立式电机相比，主泵电机有以下特点：1.对电机绝缘有特殊要求2.电机上装有推力轴承及飞轮。3.要求充分的冷却，均设有专用的冷却系统。

飞轮在发生反应堆冷却剂泵断电情况下，停堆后短时间内必须保持足够的流量通过堆芯。一个飞轮用键固定在电动机轴的顶端，以增加反应推冷却剂泵机组的转动惯量，从而延长泵的惰转时间，飞轮提供的惯性流量不仅在断电后短时间内提供了足够排热能力，还有利于建立后续的自然循环。主泵惰转时间特性防逆转装置如果一台反应堆冷却剂泵停运，而其他环路上的泵还在运行着，停运的环路上冷却剂将发生逆向流动。逆向流量于堆芯冷却无益。逆流还会使停运的泵反转，这时若启动该泵，就会产生过大启动电流，可能导致电机过热或引起其他损坏。防逆转装置轴封组件轴密封装置轴封组件位于泵水力机械部分和电机之间，它通常由自下而上串联的三级密封组成。旋转的泵轴与泵壳间的高压密封装置是主泵的关键部件，轴封泵的特点主要表现在轴密封结构上。轴密封装置第一道密封件是液体静压密封，它有两个比较宽的密封面，它是三道密封中最关键的一道。由于冷却剂在这两个密封面间产生很大的压降，使得这两个密封面间有一层0.008~0.013mm厚的液膜。正常工作时这两个密封面相互不接触，因此不会由于磨损面破坏。即使轴不转动也能产生薄液膜。轴密封装置第二道密封是普通的接触式机械密封。它同主轴连接的是一个比较宽的动环，它是用氧化铝等硬质材料制作的。与其相对的是一个比较窄的静环，它是用石墨等软材料制成的。在正常运行工况下，它承受第一道密封泄漏介质的压力，当第一道密封损坏，冷却剂的压力全部作用在其上时，在短期内也能同样起到密封作用。轴密封装置第三道密封是一个比较小的低压的接触式机械密封。轴封泵的密封结构和工作原理

轴封组件的三级密封自下而上依次称为1号、2号、3号密封，其中头两道是按承受全部系统压力设计的轴封，而第三道密封只是一个泄漏水导流轴封。1号密封1号密封1号密封位于泵轴承上方，它是密封组件中最重要的部件，又称主密封。它是一种密封表面彼此不接触的依靠液膜悬浮的流体动力密封。液膜是由通过此级密封上下游间的压降建立的，因而存在可控泄漏。液膜的形成不需要轴旋转。动环和静环的两个断而之间有一层薄水膜相隔，因而不会直接接触产生磨损。1号密封在正常运行时，来自化容系统的高压洁净密封注入水从泵径向轴承与1号密封之间以1.8m3/h流量注人，其中1.1m3/h经热屏热交换器向下，它阻止高温冷却剂向上进入泵径向轴承和轴封区，此股水流最终汇人泵腔室。其余0.7m3/h的注射流通过1号密封，一部分流向2号密封，其余流回化容系统。1号密封由于通过1号密封的泄漏量是预先确定的并受到控制，此种密封又称为“受控泄漏”密封。控制方法是保证静环与动环之间的间隙始终维持一个定值。这是通过利用静环的力的平衡来实现的。1号密封动环与轴连在一起转动，静环不能转动，但可以上下移动。动环与静环间的环状间隙是两段锥度不同的锥面，泄漏由外侧流向内侧。正常运行时，静环受到F1和F2两个力的作用，向下的作用力F2等于静环的上表面积与密封两侧的压差的乘积，向上的作用力F1不仅取决于静环下表面积，而且与两环之间间隙大小有关。1号密封当两环间隙等于设计间隙时，上下作用力平衡，图中，A1＝A2，间隙保持不变。当间隙减小时，阻力增加，拐点b上移，上下作用力不平衡，图中，A1＞A2，产生向上的推力使静环上移直至受力平衡为止。当间隙增大时，阻力减小使拐点b下移，上下作用力不平街，图中，A1＜A2，使静环下降恢复至正常值。这样，靠力的平衡使密封间隙维持在设计值。2号密封2号密封2号密封的主要作用是阻挡1号密封的泄漏，它作为1号密封损坏时的备用密封，在1号密封失效时，承受全部运行压力，维持一段时间（30min)以便停运反应堆冷却剂泵。2号密封2号密封的润滑由1号密封泄漏量的一小部分来保证。很小的流量流过2号密封，流过2号密封的密封水通过2号密封引漏接管收集到反应堆冷却剂疏水箱内。3号密封3号密封是一个具有摩擦面的双侧型密封，它的作用是将2号密封的泄漏引导到排气疏水系统，从面避免泄漏水进入安全壳。同时，3号密封还要防止含硼水流产生硼结晶，保证对密封面材料的润滑和冷却。3号密封不是按承受全部系统压力设计的3号密封3号密封由一根立管提供静压头，立管内水柱高出3号密封2m，从而使2号密封建立并保持了0.02MPa的背压。它的1/2流量流经密封的上游侧，冲洗、冷却和润滑摩擦面，并排入2号密封泄漏管线，另外1/2流量流过密封的下游侧，冲洗轴封末端并排入排气疏水系统。立管水位还起对2号密封的监测作用。若2号密封损坏，水位上升；若3号密封损坏，立管水位下降。屏蔽泵

在核电厂中用屏蔽泵作主循环泵是在50年代才开始的，1953年美国将其用于核潜艇，后推广到小型动力堆中。现在我国也有这种产品，而且已有系列标准。在某些方面已接近和达到国际水平。立式屏蔽泵

屏蔽泵通常是一台立式离心泵，其主要部分为水力部件、电动机、承压壳体、热交换器和轴承。泵在下端，电机在上端。电机转子和泵的叶轮构成—个整体的转子，电动机的转子与定子间用屏蔽套隔开，下端相当于一般工业用的悬臂式单级泵。叶轮上方设有隔热屏起热屏障作用，防止冷却剂的热量向电机方向传导。电机的定子、转子及叶轮全部封闭在高压壳体内。高压壳体外部盘绕蛇形管热交换器。蛇形管外部通流二次冷却水，蛇形管内部为一次冷却水。一次冷却水是与冷却剂相连通的，所以蛇形管内的压力就是一回路的压力。一次冷却水是从泵的正上方进入辅助叶轮，从辅助叶轮流出后沿定子与转子的间隙向下流动，同时将转子与定子的热量带走，并润滑下部径向轴承及推力轴承，再流到蛇形管，由下而上沿蛇形管流回顶部，构成一次冷却水的循环。低压二次冷却水从入口向下流，冷却蛇形管后从下部出口流出，构成二次冷却水的循环，实现热变换。立式屏蔽泵1-叶轮（水力部件）；2—泵壳；3—隔热屏；4—推力轴承；5—法兰；6—径向轴承；7—冷却水出口；8—蛇形冷却管；9—冷却盒；10—承压壳体；11—定子和转子屏蔽套；12—电机转子；13—电机定子；14—辅助叶轮；15—冷却水进口；16—电缆管；17—径向轴承座；18—顶盖。屏蔽泵的特点（1）由于没有旋转轴的动密封，只有静密封，所以可保证绝对密封性；（2）体积小．重量轻，结构紧凑；（3）没有风扇，所以躁音小、振动小；（4）可以在无人看管的情况下运行；（5）检修比较简单，如将推力轴承放在电机上端，则检修更方便；（6）效率比轴封泵低10~20％；（7）造价较高，一般是轴封泵的1.5~2倍。卧式屏蔽泵

1—轴承；2—螺栓；3—屏蔽套；4—转子外套；5—转子；6—压紧板；7—小叶轮；8—盖；9—接线盒；10—接线柱；11—径向滑动轴承；12—线圈；13—硅钢片；14—蛇形冷却管；15—外壳；16—轴；17—止推轴承；18—电机壳；19—盖及迷宫密封件；20—螺母；21—叶轮；22泵壳体卧式屏蔽泵泵的叶轮和电机转子连成一体，由装在一个能承受系统全部压力的密封壳体内的屏蔽电机驱动。电机的定子绕组按常规结构制造，由一层薄的屏蔽套使转子与电机线圈隔离，因此定子绕组是干的，没有放射性介质外漏的可能。为了使电机免受高温，叶轮上方设有隔热屏起热屏障作用。密封壳体外部盘绕蛇形管换热器，蛇形管外部通设备冷却水。蛇形管内部为一次冷却水。一次冷却水是与反应堆冷却剂连通的，所以蛇形管内压力就是一回路压力。一次冷却水从泵的右侧进入小叶轮，从小叶轮流出后沿定子与转子的间隙向左流动，吸收将转子与定子的发热，并润滑止推轴承，最后进人蛇形管，被设备冷却水冷却了的一次冷却水再从泵的右份进入，冷却泵径向轴承后返回小叶轮吸人口，形成封闭的循环。卧式屏蔽泵湿定子全封闭泵

为了克服采用屏蔽套带来的缺点，有人提出湿定子泵。沸水堆上使用的湿定子全密封泵。1—止推轴承；2—下部径向轴承；3—轴；4—定子；5—上部径向轴承；6—堆壳；7—扩压器；8—叶轮湿定子全封闭泵核Ⅱ级泵

高压安注泵、停堆冷却泵、安全壳喷淋泵和上充泵都是压水堆核电站安全保护的重要设备。这四种泵都为核Ⅱ级泵。高压安全注射泵

当一回路主系统发生中、小破口失水事故时，安注信号使该泵立即启动，先将换料水箱中的含硼水注入堆芯；在换料水箱发出低-低水位信号后，该泵串接在停堆冷却泵后，改由安全壳地坑吸水，将地坑水注入堆芯，防止堆芯烧毁。在核电站处于正常运行状态时，该泵不投入运行，但需要定期进行试转、维修，以保持泵机组处于良好的备用状态。高压安全注射泵高压安注泵选用多级、双壳体、卧式离心泵结构，转速2960r/min，11级，电动机直接带动，承压部件为圆筒形锻件。泵的两端各装一套单端面非平衡型机械密封，机械密封自带叶轮进行循环冷却。轴向力由平衡鼓平衡掉90％，剩余部分由推力轴承承担。泵机组启动前先将油泵投入运行，待油压正常后再启动高压安注泵。泵在运行情况下润滑油由机组自带轴头泵供油。停堆冷却泵

正常停堆运行：当反应堆停运，冷却剂温度降至180℃后，停堆冷却泵将反应堆冷却剂、环路热段的冷却剂抽出，经停堆冷却热交换器降温后，送回环路冷段，使堆心温度继续降低。停堆冷却泵失水事故工况：当一回路主系统发出大破口失水事故时，发出安注信号，停堆冷却泵按程序启动，将换料水箱中含硼水注入堆芯；在换料水箱发出低-低水信号后，改由安全壳地坑内吸水，将地坑水注入堆芯，实现再循环，防止堆芯烧毁。停堆冷却泵换料工况：反应堆换料时，该泵将换料水箱内的水输入换料水池；换料完毕后，再将换料水池内水送回换料水箱。停堆冷却泵在反应堆正常运行期间，不要求该泵投入运行，但需要定期进行试转、维修，以保持良好的备用状态。停堆冷却泵停堆冷却泵是单级、单吸、悬臂、卧式离心泵。转速1475r/min。承压部件是锻件。该泵进口压力高，轴向力大，故机械密封为平衡型。密封系统设有冷却器及旋风分离器。由于泵有多个运行工况点，不同运行工况下轴向力大小及方向均有变化，一部分轴向力由平衡孔平衡，剩余轴向力由推力球轴承承担。轴承采用稀油飞溅润滑。安全壳喷淋泵

当发生失水事故或主蒸汽管道破裂而引起安全壳压力上升时，安注信号发出，安全壳喷淋泵启动；由喷淋信号打开喷淋隔离阀，将含有NaOH的硼水喷淋，使其从安全壳大气中吸收大部分放射性碘。在核电站正常运行时，该泵不接入运行，但要定期进行试转、维修，以保持良好的备用状态。安全壳喷淋泵该泵为单级、单吸、悬臂、卧式离心泵，转速2975r/min，结构与停堆冷却泵相类似，不同点是该泵泵壳为铸件。另外，泵进口装有诱导轮．以堤高抗汽蚀性能。上充泵

上充泵是化学和容积控制系统的一项重要设备。在正常工况时，它向反应堆冷却剂系统输送净化水和正常泄漏的补充水，并控制稳压器水位的波动，作为该系统容积控制的手段之一；它还向反应堆冷却剂泵提供轴封水。在反应堆冷却剂系统小破口时进行补水，以维持压力。在安注工况下向堆芯紧急注射冷却剂。在反应堆装料或换料后的电站启动前，对反应堆冷却剂系统进行充水和密封性水压试验。因此，该泵具有多种用途，要求高度安全可靠。上充泵有往复式及离心式两种，互相配合使用。上充泵离心式上充泵为小流量、高扬程离心泵，选用单级、高速、美国神奈型高速泵。其转速在20000r/min以上。由于高速，轴向力平衡问题、机械密封和转子振动向题是其技术关键。GNPS上充泵GNPS上充泵上充泵是卧式多级离心泵，液体通过吸入管路（径向安装在泵头）流到泵体中，由排出管路（径向装在泵头）把液体输送出去。GNPS上充泵主要功能①RCV上充功能：保持稳压器中恰当的水位，向反应堆冷却剂系统注水。该上充泵从容积控制箱（RCV）或从贮水箱（PTR）抽吸水。GNPS上充泵主要功能②密封水注入功能：向3台主冷却剂泵注入第一级密封用的冷却水。在这两种情况下，只有一台上充泵运行，每台泵都可输送最大上充流量水，同时，把小流量管线打开。GNPS上充泵主要功能③高压安全注入功能：用作安全注入泵，可防止失水事故（LOCA）时，堆芯裸露，这时，关闭最小流量管线。在这种情况下，两台泵并联运行，2台泵的流量随一回路压力而变化。泵结构高压室包括泵头、吸入和排出管、泵筒体等。吸入和排出管位于两侧，在同一水平面上。用双蜗壳达到径向平衡，组装2个相对的叶轮组达到轴向平衡。密封进水流经位于泵头的旋流分离器。带水力旋流分离器的机械密封水进水线路

潜水轴承外止推轴承外止推轴承轴承的润滑从A处引入压力油，从B处（外部支承）的主沟槽对每一个推力块注油，油通过止推盘和反止推盘后返回。泄露出的油由通道E收集到D处。对止推盘的润滑油从B处后面的轴颈推力块引入，油充满轴承箱和止推环限制的容积。用止推环循环油，使油在止推盘和反止推盘的摩擦面之间流动。润滑油通过轴承室返回到C箱中，由轴承箱底部D处回收，并返回到油箱。给水泵作用给水泵是核电厂二回路的主要转动机械之一，它的功能是将二问路除氧器内的低压给水升压并送至核岛厂房的蒸汽发生器。大亚湾核电厂的每—台汽轮发电机组都设置三台各自供水量为50%的给水泵装置。其中两台由凝汽式汽轮机驱动，一台由电动机拖动。给水泵参数目前，流量约1130kg/s、压头约7.4MPa的给水泵，采用单级双流式，并分成前置泵和主泵两部分。前置泵的转速统一定为25s-1，主泵的转速则介于80s-1和86s-1之间。给水泵运行方面的要求

为了尽量提高可用率，对给水